We focus on learning hidden dynamics from data using ODE-nets templated on implicit numerical initial value problem solvers. First, we perform Inverse Modified error analysis of the ODE-nets using unrolled implicit schemes for ease of interpretation. It is shown that training an ODE-net using an unrolled implicit scheme returns a close approximation of an Inverse Modified Differential Equation (IMDE). In addition, we establish a theoretical basis for hyper-parameter selection when training such ODE-nets, whereas current strategies usually treat numerical integration of ODE-nets as a black box. We thus formulate an adaptive algorithm which monitors the level of error and adapts the number of (unrolled) implicit solution iterations during the training process, so that the error of the unrolled approximation is less than the current learning loss. This helps accelerate training, while maintaining accuracy. Several numerical experiments are performed to demonstrate the advantages of the proposed algorithm compared to nonadaptive unrollings, and validate the theoretical analysis. We also note that this approach naturally allows for incorporating partially known physical terms in the equations, giving rise to what is termed ``gray box" identification.


翻译:本文主要关注使用基于隐式数值初值问题解算器的ODE-网路来学习数据的隐藏动力学。首先,我们使用展开的隐式解算方案对ODE-网路进行反向修改的误差分析,以便在易于解释且减少误差的前提下,训练出一个近似于反向修改微分方程组(IMDE)的ODE-网路。此外,我们建立了一个训练此类ODE-网路的超参数选择的理论基础,因为目前的策略通常将ODE-网路的数值积分视为一个黑箱。因此,我们制定了一个自适应算法,用以监测误差水平并调整(展开的)隐式解算器的迭代次数,使得展开近似的误差小于当前的训练损失。这可提高训练速度,并保持准确性。我们进行了几个数值实验以展示这种方法相对于非自适应展开的优势,并验证了理论分析。此外,我们还指出,该方法可以自然地将部分已知的物理项纳入方程中,从而产生所谓的“灰盒子”识别。

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